与理性代谢工程不同，经典菌株开发长期依赖随机诱变与表型筛选。随着基于生物传感器的荧光激活细胞分选（FACS）策略发展，这类高通量单细胞筛选重新受到重视。本研究将该技术与比较基因组分析结合，用于在谷氨酸棒杆菌 L-组氨酸生产菌株中鉴定促进产物形成的新突变。由于该菌株中已知 L-组氨酸合成相关遗传靶点已被理性改造，新有益突变可能不直观地...
从工程微生物合成大宗和高价值产品，通常可提供比化石或低效、不可持续自然资源更便宜、高效且可持续的替代方案。异养微藻如酵母和细菌已提供大量机会，一些光合微藻正作为有前景的自动光选项出现。微藻通过光合作用利用阳光和水生长，产生氧气并固定二氧化碳，具有可再生和可持续潜力。光合微藻高度异质且多样，许多类群通过不同路径进化并适应不同栖息地。作...
植物天然产物（PNPs）具有多种药理活性，在全球市场具有巨大潜力。与传统植物提取和化学合成相比，微生物细胞工厂（MCFs）为高价值 PNPs 的合成提供了经济、可持续的替代途径。然而，异源合成通路通常缺乏天然调控系统，会给宿主细胞带来额外代谢负担。为克服这一挑战，生物传感器被开发并工程化，作为构建人工调控网络、根据环境信号控制酶表达...
工程微生物如益生菌大肠杆菌 Nissle 1917（EcN）为在胃肠道中感知并调节代谢物或治疗物浓度提供了策略。本文提出利用实现负反馈的遗传回路调控 EcN 中抑郁症相关代谢物 γ-氨基丁酸（GABA）的产生。作者通过过表达大肠杆菌谷氨酸脱羧酶 GadB 使 EcN 产生 GABA，并应用细胞内 GABA 生物传感器筛选改善 GAB...
近期生物传感器研究有望实现大基因文库高通量筛选，但生理限制和机制知识不足会阻碍微生物系统高滴度，也影响生物传感器应用。本文表征了先前开发的基于转录因子 ExuR 的半乳糖醛酸生物传感器对其另一配体葡萄糖醛酸的响应。在受控理想条件下，该传感器对葡萄糖醛酸表现出理想响应；但在将其应用于不同 myo-肌醇加氧酶（MIOX）同源物时，响应出...
特定细胞代谢物浓度的定量可反映生理与病理状态下代谢通路的实际利用情况，也是代谢工程中筛选细胞工厂的重要读出指标。然而，目前尚缺乏可直接在单细胞水平实时评估胞内代谢物水平的方法。近年来，天然细菌 RNA 核糖开关的模块化结构启发了遗传编码合成 RNA 器件的设计，这类 RNA 生物传感器可将胞内代谢物浓度转化为定量荧光信号。其通常由代...
葡萄糖酸是可用于洗涤剂、聚合物、医药和食品工业的高价值二羧酸。本研究将葡萄糖酸生物合成途径中的两个关键酶——拟南芥肌醇加氧酶 MIOX4 和丁香假单胞菌醛糖酸脱氢酶 Udh——用不同肽连接子融合并在酿酒酵母中表达。结果显示，以 (EA3K)3 连接子连接的 MIOX4-Udh 融合蛋白产生最高葡萄糖酸产量，比游离酶高 5.7 倍。随...
血红素具有电子传递、气体结合、催化和信号转导等多种功能，在医疗、膳食补充剂和食品加工中应用广泛。传统化学合成或从生物样品中分离血红素存在产率低、周期长、环境负担重等问题。近年来，基于全细胞系统的血红素生物合成方法成为替代方案，其核心是利用微生物中5-氨基乙酰丙酸（ALA）的C4和C5两条前体合成途径，以及原卟啉依赖（PPD）、铁卟啉...
戊内酰胺是制造高价值尼龙-5和尼龙-6,5的单体。然而，戊内酰胺的生物合成受限于将5-氨基戊酸环化为戊内酰胺的酶效率不足。本研究构建了携带戊内酰胺合成途径的谷氨酸棒杆菌：来自铜绿假单胞菌的DavAB将L-赖氨酸转化为5-氨基戊酸，来自丙酸梭菌的β-丙氨酸CoA转移酶Act将5-氨基戊酸转化为戊内酰胺。大部分L-赖氨酸转化为5-氨基戊...
血红素在医药和食品领域应用广泛，但其生物合成受多基因表达水平、复杂调控机制和酶活性低等因素限制。本文报道了一种基于血红素响应蛋白 HrtR 的血红素生物传感器引导筛选策略：将 HrtR 的 DNA 结合位点 HrtO 置于四环素外排基因 tcR 上游，使大肠杆菌胞内血红素浓度与四环素抗性/细胞存活建立可定量联系。利用该体系，从随机核...
合成生物学与代谢工程中先进DNA合成、生物传感器组装和基因电路的发展，增强了丝状细菌、酵母和真菌作为化学生产底盘细胞的潜力，但其工业化应用仍面临重大挑战。作为重要底盘菌株，丝状微生物可通过微生物发酵合成重要酶、化学品和特色药物。借助代谢工程与合成生物学，丝状细菌、酵母和真菌可通过基因组工程、通路工程、耐受性工程和微生物工程开发为高效...
酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是重要的外源基因表达系统和高价值代谢物细胞工厂宿主，具有遗传背景清晰、操作简便、安全无毒、外源基因表达水平高等优势。启动子是基因转录的基本元件，可控制转录的开启方向与强度，对基因表达调控和代谢途径优化具有关键作用。不同强度与性能的启动子会显著影响目标基因表达效果，并最终决定...
随着代谢途径和合成生物学工具快速发展，微生物生物制造中如何最优重连代谢通量并加速高通量表型筛选仍是挑战。本文建立了生物传感器辅助可滴定 CRISPRi 高通量（BATCH）筛选方法，将可滴定错配 CRISPR 干扰与生物传感器介导的高产表型筛选结合，用于大肠杆菌。作者首先开发可编程错配 CRISPRi，通过单管 sgRNA 池（每个...
代谢工程已发展出多种工具与策略，其中辅因子工程是生物产品合成中的常用策略，用于调控烟酰胺核苷酸（NADH/NAD+、NADPH/NADP+）和三磷酸腺苷/二磷酸腺苷（ATP/ADP）水平，以维持细胞氧化还原与能量平衡。然而，传统方法难以实时监测细胞内NADH/NAD+、NADPH/NADP+和ATP/ADP水平。近年来，多种用于检测...
过去数十年，基于细胞内生物传感器的动态调控策略在提高有用化合物产量方面取得显著进展。该方法可在维持最佳生长状态的同时实现高生产率。然而，工业发酵体系中同时存在高/低性能非遗传变异体以及不同生长阶段的年轻和衰老细胞，这种显著个体差异会阻碍在单细胞水平精确控制代谢通量，从而难以在宏观群体水平获得高生产率。细胞内生物传感器作为代谢网络的调...
丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）是由乙酰辅酶A羧化酶（ACC）催化、ATP依赖羧化乙酰辅酶A形成的高能分子，是黄酮类、多酮类和脂肪酸等生物技术产物的重要前体。酿酒酵母是常用细胞工厂，但其 malonyl-CoA 生产能力低于油菌。作者构建了携带条件性 ACC1 等位基因的酿酒酵母菌株，用于测试异源 ACC 基因的互补能力。解脂...
本文是一篇关于合成生物学用于工程微生物可持续生产生物化学品的编辑导言。作者指出，化石资源大量使用导致温室气体排放增加，微生物细胞工厂为可再生化学品生产提供了重要途径。与传统随机诱变和筛选相比，合成生物学可通过非天然合成途径设计、模块化途径组装、动态感知与调控、区室化、途径平衡与重连、辅因子工程以及生物分析物高通量筛选等策略，加速菌株...
微生物细胞内源代谢通路通常由精密调控网络控制。然而，在微生物宿主中引入异源通路时，由于缺乏相应调控，常导致酶表达和碳流分布失衡，阻碍高效微生物生物合成系统构建。本研究以柚皮素为目标化合物，建立了自主级联人工动态（AutoCAD）调控系统，自动协调通路表达并重定向碳流，以提高柚皮素产量。该系统同时包含基于中间产物的前馈和基于产物的反馈...
基于代谢物响应转录因子的代谢物生物传感器是合成生物学中用于感知和精确调控细胞代谢的关键元件。此类传感器通常在实验室条件下设计，但实际部署时细胞生长速率可能与初始表征差异很大。本文研究生长速率如何影响生物传感器的最低输出、最高输出和动态范围等关键性能指标。作者以大肠杆菌中 LacI、TetR 和 FadR 基生物传感器为模型，发现不同...
L-色氨酸及其羟基化、卤代衍生物用于治疗性肽、农药和生物活性化合物前体。细菌 L-色氨酸生物合成依赖 L-丝氨酸：色氨酸合酶 α 亚基 TrpA 催化吲哚-3-甘油磷酸逆醛裂解生成甘油醛-3-磷酸和吲哚，β 亚基 TrpB 催化吲哚与 L-丝氨酸缩合生成 L-色氨酸。已有报道 TrpA 是 TrpB 的变构效应器，缺失 TrpA 会...